MEMS和微系统概述

MEMS和微系统概述工学院机械系张晓蕾目录一．MEMS的定义及组成二．MEMS的发展史三．MEMS的特点四．典型MEMS器件及应用一尺之锤，日取其半，万事不绝。——庄子：天下篇（公元前571年至公元前471年之间）《西游记》中孙悟空变成小虫钻进铁扇公主的肚子里美国科幻电影《惊异大奇航》中在人血管中前进的微型舰艇多年的期盼发生在20世纪90年代的故事如胆结石手术、心脏搭桥手术、肿瘤切除手术等。能够减轻病人的痛苦。1.微创手术腹腔插入腹腔镜、手术工具、摄像头等监视器遥控操作发生在20世纪90年代的故事气囊加速度传感器：感受振动信号，避免强烈冲击对驾驶员造成伤害。发生在20世纪90年代的故事2.汽车中气囊发生在20世纪90年代的故事发生在20世纪90年代的故事3.微型摄像系统背着微型摄像系统的蟑螂微型摄像机在地震废墟中传回图形信号一、MEMS的定义及组成MEMS（MicroElectro-MachanicalSystem,微机电系统)是20世纪末发展起来的一门新兴的前沿学科，它是在微电子二维表面加工技术的基础上发展起来的，以硅、玻璃、有机材料以及金属材料的三维加工技术为基础，结合功能材料及薄膜化制备工艺，把微型传感单元、执行单元、微能源以及微电子电路集成在一个芯片上的具有传感、执行和数据处理功能的微型系统。1.MEMS的定义一、MEMS的定义及组成美国：微型机电系统(Microelectro-mechanicalSystem,MEMS)日本：微机械(Micro-machine)欧洲：微系统(Micro-system)我们把这些通称为微机电系统(MEMS)2.MEMS的三大流派小型(mini-)机械(1mm~10mm)微型(micro-)机械(1μm~1mm)纳米(nano-)机械(1nm~1μm)1μm=10-6m（微米）、1nm=10-9m（纳米）1um~100μm为微米尺度100nm~1μm为亚微米尺度1nm~100nm为纳米尺度小于1nm为原子团簇一、MEMS的定义及组成3.微型机械尺寸范围（按特征尺寸）微型机械三、MEMS组成MEMS是微电子同微机械的结合，如果把微电子电路比作人的大脑，微机械比作人的五官（传感器）和手脚（执行器），两者的紧密结合，就是一个功能齐全而强大的微系统。4.MEMS的组成一、MEMS的定义及组成机械部分传感执行控制部分电子学MEMS控制部分微电子学传统的机械电子系统IC工艺发展后的机械电子系统机械系统和传感系统缩小后与控制系统平衡的MEMS4.MEMS的组成一、MEMS的定义及组成二、微机电发展史“如果有一天可以按照人们的意志安排一个个原子，那将会产生什么样的奇迹呢？”1959年量子物理学家理查德·费曼在加州理工学院演讲推荐书：《别逗了，费曼先生：怪才历险记》1.追溯（1）起始点（20世纪50年代末、60年代初）集成电路（IC）技术出现，实现在微米尺度上规模制作电子元器件和电路。重要研究成果：1954年：史密斯发现了压阻效应。1958年：人们用单晶硅制作了半导体应变片，其灵敏度是金属应变片的数十倍。1962年：第一个硅压力传感器问世。二、微机电发展史2.三十年的积累（20世纪50年代末到20世纪80年代末）（2）萌芽阶段（20世纪60年代中期到20世纪80年代）开展了一些有关MEMS的零散研究：①硅各向异性腐蚀技术用于在平面硅衬底上加工三维结构。②利用集成电路的加工技术制造MEMS器件，如悬臂梁、薄膜和喷嘴等。③20世纪70年代，IBM实验室研发了薄膜型硅微压力传感器。这种传感器比传统薄膜传感器有更高灵敏度，并可批量化生产。二、微机电发展史2.三十年的积累1987年，微机电研究真正兴起标志：加州大学伯克利分校研制成功了直径为10μm的硅微马达。第一个丰收的季节第一台静电微马达3.丰收的季节（20世纪80年代末，90年代初）世界上第一个微电机（1988）12个固定电极、8个转子电极1988年，伯克利分校科研人员为直径约120μm的静电马达通电并成功使其运转。二、微机电发展史90年代初，ADI的气囊加速度计实现产业化。90年代末，Sandia实验室5层多晶硅技术代表最高水平。二、微机电发展史3.丰收的季节三、MEMS的特点MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。因为惯性质量小，小的系统比大的系统移动更迅速小器件的小尺寸所面临的热变形和振动问题会更小小系统除了具有更精确的性能外，它们的小尺寸也使得它们更适合应用在药品和手术中1.微型化主要材料：硅优点：强度、硬度、杨氏模量：与铁相当密度：近似铝热传导率：接近钼和钨其他材料：石英，砷化镓——基底材料玻璃、塑料和金属——封装材料聚合物、金属材料——微系统制作硅片三、MEMS的特点2.制造材料性能稳定用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。在硅晶圆片上制作数百个压力传感元件三、MEMS的特点3.批量化生产不同功能、敏感方向、致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，形成复杂的微系统。集成了传感器、缓冲器、振荡器、解调器、信号发生器、载波电容器等。三、MEMS的特点4.集成化程度高ADI公司生产的微加速度计MEMS芯片MEMS涉及电子、机械、材料、制造、通讯和自动控制、物理、化学和生物等多种学科。三、MEMS的特点5.多学科交叉四、典型MEMS器件及应用一个比蚂蚁头的尺寸还要小得多的齿轮双层微齿轮1.MEMS器件微齿轮四、典型MEMS器件及应用微齿轮图正前方毛毛嘈嘈的东西是一粒灰尘，其后方是一个微机械部件，只有几个微米！微机械部件微泵微机械部件四、典型MEMS器件及应用美国Sandia实验室制作的微驱动系统与一只昆虫触须的对比图新加坡南洋理工大学齿轮传动机构微传动机构微驱动系统微齿轮传动机构四、典型MEMS器件及应用超声微马达在光纤多路开关中使用的静电旋转微马达静电微马达电磁型微马达与芝麻微马达国内自主开发几种微马达四、典型MEMS器件及应用远比蚂蚁还小的微涡轮四、典型MEMS器件及应用微涡轮微型涡轮叶片微型光开关用于控制来自光纤的入射光转到相应的接收光纤中。微镜四、典型MEMS器件及应用MirrorSupportStructureSubstrateHingesTorsionHinges1stDOF2ndDOFForce-redirectingLinkage微镜四、典型MEMS器件及应用七、MEMS的应用MEMS应用领域涉及计算机、汽车、通讯、医药、军事等2.MEMS的应用四、典型MEMS器件及应用应用之一：计算机方面应用四、典型MEMS器件及应用世界上第一台通用计算机于1946年在美国宾夕法尼亚大学诞生。它是一个庞然大物，用了18000只电子管、30吨、150平方米、25千瓦。1958年9月12日:INTEL公司研发了集成电路（IC）。1975年,ATARI--8800微电脑问世。1981年8月12日:IBM发布其个人计算机，有64K内存、单色显示器。1982年问世的Intel286集成了120000个晶体管1994年互联网商业化运作正式开始1999年推出的PentiumⅢ处理器集成的晶体管数目达24000000个。19581971199419821975集成电路,笔记本电脑，互联网1971年11月15日:MarcianE.Hoff在INTEL公司开发成功第一块微处理器4004，含2300个晶体管。四、典型MEMS器件及应用MEMS技术的里程碑――CMOS片上麦克风这一CMOS器件在体积、成本和性能参数上都有改进，这种表面装配插件的尺寸是4*4*1.8毫米。CMOS片上麦克风四、典型MEMS器件及应用喷墨打印机惠普公司在1978年首先发明了基于硅微机械加工技术的喷墨打印机喷嘴。四、典型MEMS器件及应用应用之二：汽车上的应用四、典型MEMS器件及应用汽车未来的发展方向是智能汽车日本一家公司利用MEMS技术制作的小型化汽车四、典型MEMS器件及应用美国桑迪亚国家实验室研制的小型自动机器人汽车，体积为1立方英寸ST三轴线性MEMS加速计提高超薄设计的产品性能微机电系统（MEMS）为iPhone提供了很大帮助，因为没有MEMS，苹果的iPhone就无法触屏，也无法根据用户手持手机的方向将网页从竖屏旋转成横屏显示。飞思卡尔电容式触摸传感器为便携式应用带来智能控制应用之三：通讯行业应用（手机）四、典型MEMS器件及应用MEMS在医学领域中的应用主要集中以下几个方面：微创外科手术：可以减轻病人痛苦。药物定点输送：直接将药物输送到病变位置，同时可检测病变处血液样品参数，定时遥控释放药物，提高疗效。人造器官：包括人造心脏、肾脏、心肺、电动假肢以及人造血管、器官、关节等。应用之四：医学领域应用四、典型MEMS器件及应用药物注射微针头阵列四、典型MEMS器件及应用为什么扎针时感觉疼痛，被蚊子叮咬时不会感觉疼痛？传统药物注射针尖部分已经刺入到神经末梢的皮肤组织层，该皮肤组织层处于皮肤表面大约50~70μm。未来的战争是电子信息战，其重要特征之一就是窃取和反窃取情报。坦克、大炮等有可能退出历史舞台。微纳米传感器也可打扮成树叶、草杆、蚂蚁、苍蝇等，用空投等方法将其投入到所需预定地方，构成一个分布式传感器网络，用以收集情报。手指肚大小的微飞行器四、典型MEMS器件及应用应用之五：军事上的应用微飞行器拍撲式微飞行器，最长制空时间达6分钟，总重量不到20克，应用于军事、航空、情报、娱乐等领域。双桨直升机与花生比较四、典型MEMS器件及应用欧洲研制微型机器人试图控制敌方雷达金龟虫机器人可立于指甲盖上的微型机器人微型机器人四、典型MEMS器件及应用MEMS技术生产出来的机器人非常精小，其长度，宽度和高度都小于4毫米。该机器人采用太阳能电池的顶部，并拥有三个机械触手，以及一个触摸传感器触手。研究人员解释说，一个单一的微型机器人本身是一个简单的个体，但是相互之间能够利用红外线传感器与环境互动，形成群体，清理污染物或修复机器内部故障时非常有效。未来的“跳蚤”大军四、典型MEMS器件及应用参考书微机电系统工程基础王琪民等编著（中国科学基础大学出版社）MEMS和微系统——设计与制造徐泰然著，王晓浩等译（机械工业出版社）微机电系统基础黄庆安译（机械工业出版社）微纳米测量技术王伯雄等编著（清华大学出版社）